Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин
Рассматривается оптоэлектронное устройство и анализируются способы определения состояния растений по спектрозональным и индукционно-флуоресцентным показателям. Розглядається оптоелектронний пристрій та аналізуються способи визначення стану рослин за спектрозональними та індукційно-флуоресцентними по...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2009
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6517 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин / Д.М. Артеменко, О.І. Китаєв, П.С. Клочан, Ю.С. Колесник, В.С. Федак // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 149-154. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860192949867905024 |
|---|---|
| author | Артеменко, Д.М. Китаєв, О.І. Клочан, П.С. Колесник, Ю.С. Федак, В.С. |
| author_facet | Артеменко, Д.М. Китаєв, О.І. Клочан, П.С. Колесник, Ю.С. Федак, В.С. |
| citation_txt | Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин / Д.М. Артеменко, О.І. Китаєв, П.С. Клочан, Ю.С. Колесник, В.С. Федак // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 149-154. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | Рассматривается оптоэлектронное устройство и анализируются способы определения состояния растений по спектрозональным и индукционно-флуоресцентным показателям.
Розглядається оптоелектронний пристрій та аналізуються способи визначення стану рослин за спектрозональними та індукційно-флуоресцентними показниками.
The optoelectronic device is considered and methods of plant state estimating by reflection spectrums and chlorophyll fluorescence induction are analyzed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:07:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 149
D. Artemenko, O. Kitaev,
P. Klochan, Yu. Kolesnik, V. Fedak
THE OPTOELECTRONIC
DEVICE FOR ESTIMATING
OF PLANT STATE
The optoelectronic device is
considered and methods of plant
state estimating by reflection
spectrums and chlorophyll
fluorescence induction are analyzed.
Рассматривается оптоэлектрон-
ное устройство и анализируются
способы определения состояния
растений по спектрозональным
и индукционно-флуоресцентным
показателям.
Розглядається оптоелектронний
пристрій та аналізуються спо-
соби визначення стану рослин
за спектрозональними та ін-
дукційно-флуоресцентними показ-
никами.
Д.М. Артеменко, О.І. Китаєв,
П.С. Клочан, Ю.С. Колесник,
В.С. Федак, 2009
УДК 577.3:581.132
Д.М. АРТЕМЕНКО, О.І. КИТАЄВ,
П.С. КЛОЧАН, Ю.С. КОЛЕСНИК,
В.С. ФЕДАК
ОПТОЕЛЕКТРОННИЙ ПРИСТРІЙ
ВИЗНАЧЕННЯ СТАНУ РОСЛИН
Вступ. Інтенсивні технології виробництва
рослинницької продукції та заходи з охоро-
ни довкілля потребують сучасних польо-
вих інструментальних засобів експресно-
го визначення стану рослин, експрес-діаг-
ностики уражень і захворювань. До таких за-
собів належать комп’ютерні технології, інте-
лектуальні прилади і обладнання на базі мік-
роелектроніки, що ґрунтуються на сучасних
уявленнях про фізіологію рослин, зокрема,
фотосинтезу.
Під станом рослин розуміють значення
вибраного переліку показників. Показники
стану мають певний діапазон значень, в ме-
жах якого виділяють оптимальні, допустимі
та критичні значення, відповідні їм стани,
впливи, що їх викликають.
Загальні відомості. Розглянемо деякі спо-
соби визначення стану рослин на основі оці-
нки показників фотосинтетичного апарата.
Відомий спектрозональний спосіб визначен-
ня стану рослин шляхом аналізу спектрів ві-
дбиття листям рослин при сонячному оп-
роміненні [1]. Оригінальним у способі є ви-
користання еталона абсолютного відбиття та
поглинання, що дає змогу визначити спект-
ральний та енергетичний склад падаючого
сонячного опромінення. Фотоспектральний
спосіб (ФПС) полягає в отриманні кольоро-
вого зображення листа рослини з допомогою
цифрової фотокамери, обробки цього зобра-
ження у комп’ютері з виділенням окремих
ділянок на різних довжинах хвилі та його
аналізу за відповідним алгоритмом. Фотос-
пектральний спосіб орієнтований на виз-
Д.М. АРТЕМЕНКО, О.І. КИТАЄВ, П.С. КЛОЧАН, Ю.С. КОЛЕСНИК, В.С. ФЕДАК
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 150
начення структурних показників листя рослин, зокрема, судин, епідермісу мезо-
філу, хлоропластів, концентрації та розподілу хлорофілу тощо.
Відомий також індукційно-флуоресцентний спосіб визначення стану рослин
[2]. Індукційно-флуоресцентний спосіб (ІФС) полягає у використанні як діагно-
стичних ознак показників індукції флуоресценції нативного хлорофілу (ІФХ)
листя рослин. Спосіб орієнтований на визначення функціональних і фізіологіч-
них показників фотосинтезу, зокрема, поглинання світла фотосистемами 1 та 2,
передачі збудження в електрон-транспортному окисно-відновлювальному лан-
цюгу, утворенні енергоємних сполук тощо.
Кожен із способів дозволяє визначити стан рослини за різними показниками
і має свої переваги та недоліки. Поєднання спектрозональних та індукційно-
флуоресцентних способів визначення стану рослин дозволяє: суттєво підвищити
надійність визначень, здійснювати ранню діагностику, ідентифікувати визнача-
льний чинник, прогнозувати зміни стану рослин, визначати топографію і площу
уражень у межах листа тощо.
Поглинута хлорофілом енергія квантів світла реалізується шляхом фотохі-
мічних реакцій, теплової дисипації та флуоресценції. Ці процеси конкурентні,
тому інтенсивність флуоресценції можна використати для визначення стану фо-
тосинтетичного апарата рослин. Зміна інтенсивності флуоресценції в діапазоні
хвиль 680 ÷ 730 нм з ча сом після темнової адаптації має характерний вигляд
кривої індукції флуоресценції хлорофілу (ІФХ, або крива Каутського).
Реєстрація кривої ІФХ, її попередній аналіз та визначення діагностичних
показників реалізовано у хронофлуорометрі «Флоратест» [3].
В Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України створено оригіна-
льний оптоелектронний пристрій [4] для сумісного визначення діагностичних
спектрозональних та індукційно-флуоресцентних показників фрагментів рослин.
У ньому використані стандартні елементи і вузли широкого застосування, що
суттєво спрощує його виготовлення і зменшує вартість приладу.
Пристрій (рис. 1) працює наступним чином. На пластині розташовують рос-
линний об’єкт, наприклад, лист рослини, кору тощо. За допомогою світлодіодів,
за командою вимірювального блоку опромінюють об’єкт промінням з довжиною
хвилі 470 нм. Сигнал флуоресценції з усієї площі об’єкта виділяють за допомо-
гою світлофільтра фотоприймача, реєструють фотоприймачем, вимірюють та
запам’ятовують у вимірювальному блоці. Одночасно через світлофільтр цифро-
вою чорно-білою відеокамерою сприймають і запам’ятовують флуоресцентний
сигнал у вигляді зображення об’єкта. Аналогічне зображення отримують і за-
пам’ятовують у кольоровій фотокамері. Зображення містить червоні кольори
флуоресценції та сині кольори опромінення. В подальшому їх розділяють про-
грамно у комп’ютері. Результати вимірювань флуоресценції з вимірювального
блоку, цифрової чорно-білої відеокамери та кольорової фотокамери за-
пам’ятовують у комп’ютері для подальшої сумісної обробки. Аналогічно при-
стрій може працювати при сонячному освітленні. За яким вимірювання здійс-
нюють при відкритій шторці та вимкнених світлодіодах.
ОПТОЕЛЕКТРОННИЙ ПРИСТРІЙ ВИЗНАЧЕННЯ СТАНУ РОСЛИН
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 151
Для отримання кольорового зображення при денному освітленні використо-
вують кольорову фотокамеру, але шторкою і світлофільтром не користуються та
світлодіоди вимкнені.
РИС. 1. Оптоелектронний пристрій
Пристрій дозволяє отримати цифрове кольорове зображення листа рослини,
виділити елементи зображення в окремих зонах спектра для будь-якого його
фрагмента. Цифрова чорно-біла відеокамера дозволяє отримати флуоресцентні
зображення того самого листа. Ряд послідовних флуоресцентних зображень
отриманих відеокамерою (швидкість 25 кадрів/с) за час експозиції дозволяє
отримати дані для побудови кривої ІФХ з будь-яких фрагментів листа, в тому
числі з плям уражень, та визначити площу уражень.
Одночасне отримання кольорового та флуоресцентного зображення листа у
цифровій формі дозволяє здійснити сумісну обробку структурних показників за
спектрами відбиття та функціональних показників згідно кривої ІФХ. Це значно
підвищує достовірність оцінки стану рослин.
До особливостей пристрою слід віднести можливість його роботи в польо-
вих умовах при сонячному опроміненні. Для отримання флуоресцентного зо-
браження листа рослини необхідне інтенсивне опромінення з інтенсивністю
10–120 Вт/м2 в діапазоні довжини хвиль 400–500 нм. Таке опромінення забезпе-
чують потужні суперяскраві сині світлодіоди (довжини хвилі 470 нм), напри-
клад, RL81 – CB744D – PU 140.
Фотоприймач
ПК
Відеокамера із
світлофільтром
Привід шторки
Світлофільтр
Пластина
Кожух
Еталон
ФЛУ
Світлодіод
Фотокамера
Шторка
Вимірювальний
пристрій
Об’єкт
Еталон
відбиття
Д.М. АРТЕМЕНКО, О.І. КИТАЄВ, П.С. КЛОЧАН, Ю.С. КОЛЕСНИК, В.С. ФЕДАК
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 152
Для кількісної оцінки сигналів флуоресценції використовують еталон флуо-
ресценції, у вигляді скляного світлофільтра ОС-4 розміром 10х10х1,5 мм, який
при опроміненні синім світлом флуоресціює в червоній області. Такий еталон
має стабільний квантовий вихід 0,65 %, використовується для калібровки і ав-
токалібровки флуорометрів.
Для кількісної оцінки спектрального відбиття та поглинання зеленого лис-
та рослини в діапазоні ФАР використовують чорно-білий еталон, в якому бі-
ле поле відбиває, а чорне – поглинає світло. Це дозволяє визначити інтенсив-
ність відбитого від листа рослини падаючого світла. Використана відеокамера
SUN KWANG SK1004 має 510х492 пікселей при роздільній здатності 400 телеві-
зійних ліній і чутливості 0,1 люкс, та фотокамера Samsung Power Shot A450.
При визначенні інтегральних значень флуоресценції з усієї площі листа ви-
користовують окремий фотоприймач із світлофільтром який підключений до
комп’ютера через вимірювальний блок. При необхідності визначення флуорес-
ценції і реєстрації кривої ІФХ фрагмента листа на нього накладають трафарет із
чорного паперу з вирізами для опромінення і прийому сигналу флуоресценції.
За допомогою оптоелектронного пристрою отримані флуоресцентне і ко-
льорове зображення листа (рис. 2), причому з фрагмента флуоресцентного зо-
браження листа побудована крива ІФХ (рис. 3). Це дає змогу розширити перелік
функціональних ознак, які можна використати для визначення стану рослин при
впливах різних чинників.
Флуоресцентне Кольорове
РИС. 2. Зображення листа рослини
ОПТОЕЛЕКТРОННИЙ ПРИСТРІЙ ВИЗНАЧЕННЯ СТАНУ РОСЛИН
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 153
РИС. 3. Крива ІФХ ділянки листа рослини
Як приклад сумісного використання спектрозональних та індукційно-
флуоресцентних знімків запропоновано спосіб визначення інтенсивності фікса-
ції СО2, тобто інтенсивності фотосинтезу. Із фотознімка визначають освітле-
ність одиниці площі еталона відбиття в синій області спектра Іе та такої ж площі
листа рослини Іл. Приймаючи коефіцієнт відбиття еталона за 1 визначимо пог-
линуте листом світло ІL як :
ІL = Іе – Іл .
Із флуоресцентних знімків листа з того самого одиничного фрагмента за
показниками кривої ІФХ визначаємо параметр Genty, FPSII [2, 5], який визначає
квантовий вихід фотохімії фотосистеми 2:
FPSII = (Fm
' – Fs) / Fm
' ,
де Fm
' – максимальна та Fs – стаціонарна флуоресценції після світлової
адаптації.
Інтенсивність фіксації СО2 визначаємо за формулою [2, 5]
A= FPSII · ІL /α,
де α – константа, що дорівнює 0,8 і означає відношення квантових вихо-
дів фотохімії FPSII та фіксації СО2 , FCO2 .
Д.М. АРТЕМЕНКО, О.І. КИТАЄВ, П.С. КЛОЧАН, Ю.С. КОЛЕСНИК, В.С. ФЕДАК
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 154
Так на основі використання показників ІФХ були створені методики діагно-
стування бактеріозу рослин [7], визначення дефіциту вологи в листях [6] тощо.
Зазначені та інші подібні методики складають методичне забезпечення засобів
визначення стану рослин.
До метрологічного забезпечення входить використання еталонів для каліб-
ровки та автокалібровки приладу. Врахування поправок калібровки здійснюєть-
ся програмно.
Областями застосування засобів визначення стану рослин можуть бути рос-
линництво сільського господарства, особливо при вирощуванні культур за інте-
нсивними технологіями з використанням зрошення, добрив, БАДів; засобів за-
хисту рослин; в садівництві, виноградарстві, при вирощуванні декоративних ро-
слин та екологічному моніторингу.
Висновки. Перспективним слід вважати сумісне використання спектрозо-
нальних та індукційно-флуоресцентних показників для оцінювання стану рослин
за структурними та функціональними ознаками. Запропонований оптоелектрон-
ний пристрій дозволяє одночасно визначати структурні і функціональні показ-
ники з одних і тих же фрагментів рослини. Сумісне використання структурних
та функціональних показників в оптоелектронному пристрої дозволяє суттєво
збільшити достовірність визначень стану рослин.
1. www.roidostim.de
2. Корнеев Д.Ю. Информационные возможности метода индукции флуоресценции хлоро-
фила. – Киев: Альтерпрес, 2002. – 220 с.
3. Romanov V., Fedak V., Galelyuka I., Sarakhan Ye., Skrypnyk O. Portable Fluorometer for
Express-Diagnostics of Photosynthesis: Principles of Operation and Results of Experimental
Researches // Proceeding of the 4th IEEE Workshop on "Intelligent Data Acquisition and
Advanced Computing Systems: Technology and Applications", IDAACS'2007. – Dortmund,
Germany. – 2007, September 6–8. – Р. 570–573.
4. Пат. України на корисну модель № 40787 Оптоелектронний пристрій / І.Б. Галелюка,
О.В. Барбокар, О.І. Китаев, П.С. Клочан, В.О. Романов, В.С. Федак. – Опубл. 27.04.2009,
бюл. № 8.
5. Edwards G.E., Baker N.R. Can CO2 assimilation in maize leaves be predicted accurately from
chlorophyll fluorescence analysis? // Photosynth. Res. – 1993. – Vol. 37, N 2. – P. 89–102.
6. Пат. України на винахід № 82714. Спосіб ідентифікації бактеріозу рослин / О.І. Китаєв,
Я.І. Мовчан, Ю.С. Колесник, В.С. Федак. – Опубл. 12.05.2008, бюл. № 9.
7. Пат. України на винахід № 85524. Спосіб визначення водного дефіціту листя рослин /
О.І. Китаєв, Ю.Ю. Андрусик, П.С. Клочан, І.В. Ковалевський, Ю.С. Колесник, О.П. Лу-
шпиган, В.О. Романов, В.А. Скряга, Т.В. Бедненко, В.С. Федак. – Опубл. 26.01.2009,
бюл. № 2.
Отримано 06.08.2009
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6517 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:07:08Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Артеменко, Д.М. Китаєв, О.І. Клочан, П.С. Колесник, Ю.С. Федак, В.С. 2010-03-05T15:05:22Z 2010-03-05T15:05:22Z 2009 Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин / Д.М. Артеменко, О.І. Китаєв, П.С. Клочан, Ю.С. Колесник, В.С. Федак // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 149-154. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6517 577.3:581.132 Рассматривается оптоэлектронное устройство и анализируются способы определения состояния растений по спектрозональным и индукционно-флуоресцентным показателям. Розглядається оптоелектронний пристрій та аналізуються способи визначення стану рослин за спектрозональними та індукційно-флуоресцентними показниками. The optoelectronic device is considered and methods of plant state estimating by reflection spectrums and chlorophyll fluorescence induction are analyzed. uk Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин The optoelectronic device for estimating of plant state Article published earlier |
| spellingShingle | Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин Артеменко, Д.М. Китаєв, О.І. Клочан, П.С. Колесник, Ю.С. Федак, В.С. |
| title | Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин |
| title_alt | The optoelectronic device for estimating of plant state |
| title_full | Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин |
| title_fullStr | Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин |
| title_full_unstemmed | Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин |
| title_short | Оптоелектронний пристрій визначення стану рослин |
| title_sort | оптоелектронний пристрій визначення стану рослин |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6517 |
| work_keys_str_mv | AT artemenkodm optoelektronniipristríiviznačennâstanuroslin AT kitaêvoí optoelektronniipristríiviznačennâstanuroslin AT kločanps optoelektronniipristríiviznačennâstanuroslin AT kolesnikûs optoelektronniipristríiviznačennâstanuroslin AT fedakvs optoelektronniipristríiviznačennâstanuroslin AT artemenkodm theoptoelectronicdeviceforestimatingofplantstate AT kitaêvoí theoptoelectronicdeviceforestimatingofplantstate AT kločanps theoptoelectronicdeviceforestimatingofplantstate AT kolesnikûs theoptoelectronicdeviceforestimatingofplantstate AT fedakvs theoptoelectronicdeviceforestimatingofplantstate |